仿人机器人实时建模与仿真平台的设计与开发.pdf
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1、一 摘要 目前,机器人仿真平台作为机器人开发的重要环节之一,已经在机器人研究 领域得到广泛应用。本文针对仿人机器人机械结构与运动方式的特殊性,对仿人 机器人建模与仿真平台的设计与实现问题进行了研究,并完成了集建模与仿真功 能于一体的、适用于仿人机器人的平台软件一一H U B O T 的开发工作。 本文的主要工作有: 1 针对仿人机器人实体的特点,完成对H U B O T 平台的目标、功能及界面 设计,并利用O p e n G L 图形软件包,实现可视化、交互式的3 D 机器人效果展示。 2 提出了一种基于外部几何模型文件的仿人机器人建模方法,通过交互式 的界面设计,实现无编程的仿人机器人建模系
2、统。 3 开发仿人机器人运动学引擎,实现仿人机器人的运动学仿真,在此基础 上设计并实现了一种基于运动关键帧的运动规划方法,并对插值算法进行研究, 提出了适用于实物电机的多项式插值与s i n 插值方法。 4 利用P h y s X 物理引擎,实现仿人机器人的动力学仿真,提出了基于P h y s X 引擎的仿真电机与仿真传感器的实现方法。 关键词:仿真,建模,P h y s X ,O p e n G L ,仿人机器入 m 浙江大学硕士学位论文 A b s t r a c t N o w a d a y s ,s i m u l a t i o np l a t f o r m h a sb e
3、e n w i d e l y u s e di nt h er o b o t i c s r e s e a r c h C o n s i d e r i n g t h ep a r t i c u l a r i t yo ft h em o v e m e n ts t y l ea n dm e c h a n i c a l c o n s t r u c t i o no fh u m a n o i dr o b o t s ,t h i st h e s i sh a sm a d ea ni n t e n s i v es t u d yo ft h e s i m
4、u l a t o rw h i c hs p e c i a l i z e si nh u m a n o i d s An e wm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o np l a t f o r m h a sb e e nd e v e l o p e df o rh u m a n o i dr o b o t s T h em a i n w o r ko f t h i st h e s i si n c l u d e s : 1 An e ws y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o rt h e
5、h u m a n o i dr o b o t i c ss i m u l a t i o n V i s u a l i z a t i o ni ss u p p o s e db a s e do nO p e n G L r e n d e r i n ge n v i r o n m e n ti nt h es y s t e m 2 Ag e o m e t r y b a s e dm o d e l i n gm e t h o di sp r o p o s e d W i t ht h eg r a p h i c a l i n t e r a c t i v ei
6、 n t e r f a c e ,t h em o d e l i n gp r o c e s sc a nb ed o n ew i t h o u tc o d i n gw o r k 3 T h ek i n e m a t i c se n g i n eh a sb e e nd e v e l o p e da n dak e y - f r a m e - b a s e dm o t i o n p l a n n i n gm o d u l e i sp r o p o s e d 4 T h ed y n a m i c ss i m u l a t i o n s
7、 y s t e m w h i c h i n t e g r a t e sP h y s Xi m p l e m e n t s r e a l t i m ed y n a m i c ss i m u l a t i o nf o rh u m a n o i dr o b o t s ,a n dt h ev i r t u a lm o t o r sa n dv i r t u a l s e n s o r sa r er e a l i z e d K e y w o r d s :m o d e l i n g ,s i m u l a t i o n ,h u m a
8、 n o i dr o b o t ,P h y s X ,O p e n G L V 浙江大学硕士学位论文 目次 致谢I 摘j 要 A b s t r a c t 日次 I I I V 1 绪论 1 1 研究背景及意义l 1 1 1 什么是仿人机器人1 1 1 2 仿人机器人仿真平台的研究意义1 1 2 仿人机器人仿真平台的发展现状2 1 2 1 仿人机器人仿真平台举例。2 1 2 2 存在的问题。6 1 本文的主要内容。7 2H U B O T 平台设计 2 1H U B O T 平台目标设计9 2 1 1 实现运动学与动力学仿真9 2 1 2 实现仿真电机及控制器调试、仿真传感器数据验证
9、9 2 1 3 辅助实物电机选型、机械结构设计9 2 2H U B O T 平台功能设计1 0 2 2 1 建模功能1O 2 2 2 仿真功能11 2 3H U B O T 平台文件设计1 2 2 3 1 项目文件1 2 2 - 3 2 机器人模型文件1 2 2 3 3 机器人几何模型文件1 2 2 3 4 机器人连杆模型文件1 3 2 3 5 机器人驱动器模型文件。1 3 2 3 6 机器人传感器模型文件j 1 5 2 3 7 机器人环境模型文件1 5 V l I 浙江大学硕士学位论文 2 3 8 机器人天空模型文件1 5 2 3 9 机器人地面模型文件1 5 2 4H U B O T 平台
10、界面设计17 2 4 1 总界面设计1 7 2 4 2 建模界面设计17 2 4 3 仿真界面设计。1 8 3 仿人机器人建模系统的设计与实现1 9 3 1 建模需求分析1 9 3 1 1 仿人机器人结构组成1 9 3 1 2 仿人机器人连杆关节结构分解。1 9 3 1 3 仿人机器人仿真的建模需求2 l 3 2 仿人机器人模型数据结构2 2 3 2 1 连杆模型2 3 3 2 2 几何模型2 5 3 2 3 驱动器模型2 5 3 2 4 传感器模型2 5 3 3 基于几何模型的仿人机器人本体建模系统2 8 3 3 1 系统架构2 8 3 3 2 主要类设计2 9 3 3 3 基于几何的建模方
11、法2 9 3 4 建模实现3l 3 4 1 几何模型的导入。3 l 3 4 2 连杆与物理碰撞模型的建立。3 1 3 4 3 驱动器模型的建立3 3 3 4 4 传感器模型的建立3 3 3 4 5 机器人模型文件的导入导出3 4 3 5 环境建模3 5 3 5 1 天空模型的建立3 5 3 5 2 地面模型的建立3 6 浙江大学硕士学位论文 3 5 3 实体模型的建立3 6 3 6 基于连杆模型的碰撞模型生成算法3 6 3 6 1A A B B 包围盒生成算法3 6 3 6 2 近似包围球生成算法3 7 3 6 3 近似包围胶囊生成算法3 7 3 7 实验结果3 8 3 7 1 几何连杆模型的
12、有效性验证3 8 3 7 2 仿人机器人建模结果3 8 3 7 3 仿人机器人物理建模结果比较4 0 3 7 4 环境建模示例。4 1 3 8 本章小结4 l 4 仿人机器人运动学仿真系统的设计与实现4 3 4 1 基础理论4 3 4 1 1 仿人机器人正运动学4 3 4 1 2 仿人机器人逆运动学4 4 4 2 仿人机器人运动学仿真系统4 7 4 2 1 系统架构。4 7 4 2 2 主要类设计4 7 。 4 2 3 运动学仿真的程序实现4 9 4 2 4 基于关键帧的运动生成方法5 0 4 3 优化插值算法5 3 4 3 1 问题的提出5 3 4 3 2 简化的多项式插值算法5 3 4 3
13、 3s i n 函数插值算法5 4 4 4 实验结果5 5 4 4 1 插值算法结果比较5 5 4 4 2 运动学仿真及运动规划应用结果5 7 4 5 本章小结5 8 5 仿入机器人动力学仿真系统的设计与实现 I X 5 9 浙江大学硕士学位论文 5 1 基础理论5 9 5 1 1 仿人机器人动力学5 9 5 1 2 物理引擎6 0 5 2 仿人机器人动力学仿真系统6 3 5 2 1 系统架构6 3 5 2 2 主要类设计6 3 5 3 基于P h y s X 物理引擎的动力学仿真实现6 6 5 3 1 仿真流程6 6 5 3 2 仿真的程序实现6 8 5 4 基于P h y s X 物理引擎
14、的电机仿真实现7 0 5 5 基于P h y s X 物理引擎的传感器仿真实现7 1 5 6 实验结果7 2 5 6 1 仿人机器人驱动器参数校正软件7 2 5 6 2 仿人机器人双足步行的动力学仿真7 4 5 7 本章小结7 6 6 总结与展望。7 7 6 1 总结7 7 6 2 展望7 8 参考文献。 在学期间所取得的科研成果 作者简历。 X 7 9 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 什么是仿人机器人 随着人类社会的发展,“机器人( r o b o t 尸这一词汇正越来越多得出现在的人 们的E l 常生活中。1 9 2 0 年,捷克剧作家K a r e lC a p e k 在
15、他得( ( R u o s s u m SU n i v e r s a l R o b o t s ) ) 中最早提出了“机器人”的概念【1 1 ,并被赋予“奴隶机器”的涵义1 9 6 7 年,E l 本的“机械臂研究会”举办了第一届机器人学术会议,并将机器人定义为 “一种具有移动性、个体性、半机械性、自动性和奴隶性”的操作工具2 1 。而根 据联合国标准化组织对机器人的定义,机器人既可以是一种实际的可编程、多功 能操作机,也可以指具有可改变、可编程动作的专门系统。现代科技的发展,使 得机器人研究领域的范围不断扩大,机器人的内涵和外延的不断丰富。其中,像 人机器人正是其中的重要分支。 仿人机
16、器人是一种模仿人的机器人,包括人的形态、行为甚至是部分思维方 式仿人机器人正是由于这种与人类的高相似性,才比其他机器人更适合与人类 共同生产和生活,也因此受到学者们的广泛关注。日本将仿人机器人研究作为机 器人研究领域的最高技术难点,其最终目标是研制出具有类人特征,能够与人类t 和平共处并且能够服务于人类的智能机器人。与其他类型的机器人相比,仿人机 器人具有三个基本特征【3 朋: 1 ) 能在人们所处的现实环境中工作; 2 ) 能使用人们所用的工具; 3 ) 具有人的形状 1 1 2 仿人机器人仿真平台的研究意义 如果说各式各样的工业机器人、智能控制系统、机器视觉系统、智能识别系 统是具有实际意
17、义的机器人或智能系统,能为工业生产提供很大的帮助,那么仿 人机器人现有的研究水平远没有达到实际应用的程度。即使在机器人研究非常发 达的日本,仿人机器人现阶段也只能完成简单的功能相比起研究的庞大投入, 仿人机器人的商业价值也非常有限 浙江大学硕士学位论文 正是仿人机器人高阶、非线性、耦合、多自由度的特点,使得实际仿人机器 人的实验研究非常昂贵,甚至无法实现。在实际机器人上进行软件调试时,一个 非预期的行为结果可能由多个软件和硬件因素共同作用造成,难以对其原因进行 彻底的且有针对性的分析1 5 1 为此,仿人机器人仿真平台越来越受到开发者们的 重视。仿人机器人仿真平台通过在计算机中搭建“虚拟现实”
18、环境及“虚拟机器 人”本体,实现不依赖物理机械的仿人机器人嵌入式应用设计,通常包括机器人 本体结构设计、算法测试等 6 1 。 1 2 仿人机器人仿真平台的发展现状 1 2 1 仿人机器人仿真平台举例 近年来,国内外机器人研究人员开发了各种类型的仿人机器人仿真平台,下 面就一些应用广泛的仿真平台做一个简要的介绍 1 W e b o t s 7 , 8 :W e b o t s 是一款由C y b e r B o t i e s 公司开发并运营的机器人开发 环境,其开发流程包括建立模型、编写代码、仿真、向硬件转移四个步骤,如图 1 1 所示在W e b o t s 中,开发人员可以在同一个虚拟环
19、境下设计单个或多个、相 同或不同类型的虚拟机器人应用程序,并设定各个物体的外形、颜色、材质、质 量等物理参数除此之外,W e b o t s 还有以下几个特点: 使用O p e n G L l 9 1 0 形库并内建3 D 编辑器,可构建3 D 机器人模型; 可在内建的I D E ( I n t e g r a t e dD e v e l o p m e n tE n v i r o n m e n t ) 环境( 如图1 2 ) 或 第三方开发环境下编写机器人控制程序; 采用O D E ( O p e nD y n a m i c sE n g i n e ) I U 2 l 物理弓I 擎
20、,可准确模拟机器人行为; 可将经模拟设计的控制程序转移到实体机器人,如A i b o ,K h e p e r a 1 3 ,H 】、 M i n d s t o m s 【1 5 1 、L E G O l l 6 1 及H e m i s s i o n 等; 提供多种市售机器人的控制程序源码及模型范例; 可模拟群体移动机器人系统; 同时,W e b o t s 为开发人员提供了大量现成的类库,包括距离传感器( 红外线 或超声波) 、空间测距仪、光感测器、接触传感器、G P S 全球定位系统、摄像机、 接收器、位置与力传感器、转轮增量编码器等虚拟传感器单元,以及差速轮式电 机单元,独立电机单
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- 人机 实时 建模 仿真 平台 设计 开发
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